顧曉宇

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

毋庸置疑，農(nóng)業(yè)機(jī)械電氣控制裝置在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。然而，傳統(tǒng)電氣控制裝置存在著諸多挑戰(zhàn)與問題，如可靠性低、靈活性差、控制復(fù)雜度高等。PLC 技術(shù)作為先進(jìn)的控制技術(shù)，因具有靈活性高、可靠性高及可編程性等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。將PLC 技術(shù)引入農(nóng)業(yè)機(jī)械的電氣控制裝置中具有重要現(xiàn)實(shí)意義，不僅能夠有效降低人工操作的錯誤率與煩瑣性，減少故障與停機(jī)時間，提高系統(tǒng)的可靠性，還有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性與連續(xù)性，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與靈活性，使系統(tǒng)可以適應(yīng)變化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，從而進(jìn)一步推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

1 PLC技術(shù)

1.1 PLC定義與優(yōu)勢

PLC（可編程邏輯控制器）專門用于工業(yè)自動化控制，主要通過編寫代碼來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如輸入輸出控制、數(shù)據(jù)處理及邏輯運(yùn)算等。其可以按照預(yù)先編寫的程序來自動執(zhí)行各種操作，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制機(jī)械設(shè)備[1]。PLC 技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有多重優(yōu)勢：1）提高控制系統(tǒng)的可靠性。PLC包含高度可靠的軟件與硬件系統(tǒng)，可以有效避免傳統(tǒng)電氣控制裝置中的停機(jī)問題與故障。2）增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與靈活性。PLC 能夠按照不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求來靈活擴(kuò)展與配置，更好地適應(yīng)變化的農(nóng)業(yè)機(jī)械控制要求。3）實(shí)現(xiàn)智能化管理與自動化控制。通過編寫相應(yīng)的程序，PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化管理與自動化控制，降低人工操作的錯誤率與煩瑣性，從而提高工作質(zhì)量與效率。

1.2 PLC的應(yīng)用原理

PLC 主要組成部分有電源、CPU（中央處理器）、存儲器及多種接口等。電源的主要作用是為PLC 提供可靠的電力供應(yīng)，保證其正常運(yùn)行；CPU 作為PLC的核心部件，主要用于執(zhí)行預(yù)先編寫的程序，同時完成數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算及控制指令的執(zhí)行；存儲器主要負(fù)責(zé)存儲程序、數(shù)據(jù)與其他臨時信息，以便于CPU進(jìn)行后續(xù)的處理和操作；接口有很多種，如輸入接口、輸出接口、通信接口、擴(kuò)展接口等，主要功能是連接輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、擴(kuò)展單元及通信設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與交互[2]。其中，輸入接口涉及輸入端子與各種輸入設(shè)備，如觸點(diǎn)、按鈕、行程開關(guān)等，其主要將外部輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便于CPU 完成處理和判斷；輸出接口涉及輸出端子與各種輸出設(shè)備，如電磁閥、電磁線圈及指示燈等，其主要用于將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成控制信號，并驅(qū)動對應(yīng)的輸出設(shè)備完成操作；PLC 利用通信接口與計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面、寫入器、編程器及其他PLC 等設(shè)備相連，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)傳輸；擴(kuò)展接口用于連接各種擴(kuò)展單元，如專用功能模塊、通信模塊及模擬輸入輸出模塊等擴(kuò)展單元，以更好地滿足多樣化的應(yīng)用需求[3]。

PLC 的應(yīng)用原理基于邏輯控制，通過編寫特定的程序，PLC 能夠按照不同輸入信號的邏輯條件來完成相應(yīng)的操作與控制。例如，當(dāng)某個按鈕被按下時，PLC 能夠按照程序中已設(shè)定的邏輯條件來觸發(fā)對應(yīng)的輸出信號，如電磁閥打開、控制指示燈亮起等[4]。PLC 技術(shù)的優(yōu)勢在于它具有較好的靈活性與可編程性，能夠按照實(shí)際需求來靈活調(diào)整與配置控制邏輯。通過合理設(shè)計(jì)與編寫程序，PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能，更好地滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械電氣控制裝置中的多樣化需求，并實(shí)現(xiàn)精確控制和管理農(nóng)業(yè)機(jī)械。PLC 應(yīng)用原理示意圖如圖1所示。

圖1 PLC應(yīng)用原理示意圖

2 PLC技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)收獲機(jī)電氣自動化控制裝置中

以番茄收獲機(jī)自動化轉(zhuǎn)速控制裝置為例，在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，硬件系統(tǒng)涉及模擬量輸出模塊、觸摸屏、旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC等，使用高速輸入端口將PLC與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度。在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，利用觸摸屏來設(shè)置轉(zhuǎn)速等臨界值，如果馬達(dá)轉(zhuǎn)速低于或超出設(shè)定的臨界值，PLC 能自動發(fā)送對應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令給線性控制器，通過PID 控制器來閉環(huán)調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速[5]。具體設(shè)計(jì)涉及PLC程序設(shè)計(jì)、觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)及PID控制算法設(shè)計(jì)。

結(jié)合轉(zhuǎn)速控制要求來編寫PLC 程序，程序涉及采集和處理旋轉(zhuǎn)編碼器輸入信號，實(shí)時監(jiān)測轉(zhuǎn)速是否達(dá)到臨界值及使用PID 控制算法計(jì)算出合適的調(diào)節(jié)量，并將其發(fā)送給驅(qū)動器完成轉(zhuǎn)速控制。通過觸摸屏界面，用戶能夠設(shè)定轉(zhuǎn)速臨界值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測馬達(dá)轉(zhuǎn)速，與此同時，觸摸屏界面還能夠?qū)崟r顯示馬達(dá)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速控制的狀態(tài)及設(shè)定好的臨界值。PID 控制算法充分利用內(nèi)部的PID 控制功能塊，結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)速的偏差與設(shè)定好的轉(zhuǎn)速臨界值，能夠計(jì)算出一定的調(diào)節(jié)量，再將調(diào)節(jié)量發(fā)送給驅(qū)動器，完成閉環(huán)調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而確保轉(zhuǎn)速始終維持在設(shè)定的范圍內(nèi)[6]。通過引入PLC 技術(shù)，農(nóng)業(yè)收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而提高收獲機(jī)的穩(wěn)定性與運(yùn)行效率，運(yùn)用PLC 技術(shù)使轉(zhuǎn)速控制更可靠精準(zhǔn)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的數(shù)據(jù)支持與技術(shù)支撐。

2.2 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)自適應(yīng)平衡控制裝置中

農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中往往存在傾斜、顛簸及高低不平等問題，這很影響其作業(yè)路線與效果。為有效解決這些問題，設(shè)計(jì)一種可靠合理的拖拉機(jī)自適應(yīng)平衡控制裝置至關(guān)重要。而合理應(yīng)用PLC 技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)平衡控制。自適應(yīng)平衡控制的流程與思路為：進(jìn)入自適應(yīng)平衡控制程序，首先利用傳感器獲得拖拉機(jī)的機(jī)身傾斜角度，并檢測機(jī)身傾斜角度是否超出設(shè)定好的閾值，如果機(jī)身傾斜角度小于已設(shè)定閾值，則重新檢測機(jī)身傾斜角度，反之，如果機(jī)身傾斜角度不小于已設(shè)定閾值，此時需要調(diào)節(jié)車身平衡，程序?qū)⒆詣訄?zhí)行調(diào)節(jié)車身平衡的操作[7]。基于PLC 的拖拉機(jī)自適應(yīng)平衡控制程序的主要流程如圖2所示。

圖2 基于PLC 的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)自適應(yīng)平衡控制程序流程圖

實(shí)際設(shè)計(jì)中，在硬件設(shè)計(jì)方面，利用PLC 進(jìn)行控制，使用傳感器來檢測，同時支持液壓缸響應(yīng)，用電液比例控制閥完成驅(qū)動。傾角傳感器與位移傳感器的主要作用是檢測位移、傾角等關(guān)鍵參數(shù)，輸出模擬量信號。一個電液比例換向閥與四個液壓缸是主要執(zhí)行元件，電液比例換向閥用于接收關(guān)鍵信號，當(dāng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會立即停止工作，同時發(fā)出響聲報警。如果液壓缸滿足極限位置而沒有達(dá)到目標(biāo)伸縮量，此時示警器也會發(fā)出相應(yīng)的響聲報警，以提示系統(tǒng)需要停止工作。PLC 是電氣控制裝置的重要組成部分，需要結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求來選擇恰當(dāng)?shù)腜LC 型號及其配置。軟件設(shè)計(jì)方面，該自適應(yīng)平衡控制裝置的程序涉及主控制模塊與信號采集模塊。

主控制模塊用于控制拖拉機(jī)車身的平衡，而信號采集模塊用于收集與整合傾斜傳感器與位移傳感器采集到的關(guān)鍵信號。主程序通過利用傾角傳感器來檢測機(jī)身的傾斜角度，再將得到的傾斜角度傳遞至信號采集模塊，最后傳遞到PLC 中。PLC 使用比較單元來比對檢測到的傾斜角度信號值和已設(shè)定的傾斜角度極限值。如果小于極限值，不需要調(diào)節(jié)車身，反之，PLC 需要發(fā)送對應(yīng)的控制指令給支撐缸，通過精準(zhǔn)控制支撐缸的伸縮來完成拖拉機(jī)機(jī)身的自適應(yīng)調(diào)節(jié)[8]。通過合理運(yùn)用PLC 技術(shù)，拖拉機(jī)自適應(yīng)平衡控制裝置可以實(shí)現(xiàn)較好的應(yīng)用效果，有效避免因機(jī)身傾斜、顛簸而對作業(yè)造成的不良影響。

2.3 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)播種機(jī)電氣自動化控制裝置中

將PLC 合理運(yùn)用到農(nóng)業(yè)播種機(jī)的電氣自動化控制裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn)出水量可控，保證設(shè)備速度與出水量成正比。基于PLC 的播種機(jī)電氣自動化控制裝置的設(shè)計(jì)包括控制方案設(shè)計(jì)、PLC 自動化控制設(shè)計(jì)、顯示模塊設(shè)計(jì)。在控制方案方面，PLC 作為核心控制模塊，是實(shí)現(xiàn)施水執(zhí)行模塊、測速模塊、報警模塊、水位監(jiān)測模塊等模塊功能的基礎(chǔ)。通過測速模塊，PLC 可以檢測播種機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，而后將數(shù)據(jù)傳遞至主機(jī)，實(shí)現(xiàn)合理靈活調(diào)整，從而確保出水量的可控性與靈活性，達(dá)到設(shè)備速度與出水量成正比的目的。

在PLC 自動化控制方面，PLC 的主要組成部分有中央處理單元、儲存器、電源、輸入單元及輸出單元等，具體工作過程涉及輸入采樣、程序執(zhí)行與輸出刷新三個重要環(huán)節(jié)。使用掃描功能將輸入狀態(tài)的數(shù)據(jù)儲存到I/O 映像區(qū)域，程序執(zhí)行時PLC 將根據(jù)順序來掃描控制程序，結(jié)合邏輯運(yùn)算結(jié)果來控制儲存位置的邏輯線圈位置狀態(tài)，同時刷新I/O 映像區(qū)域的線圈輸出狀態(tài)[9]。合理運(yùn)用PLC 來實(shí)現(xiàn)自動化控制，從而達(dá)到播種機(jī)的施水信息化與自動化控制。

顯示模塊包括故障預(yù)警模塊、施水控制模塊、數(shù)碼管模塊、測速模塊等，其中，測速模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到PLC，數(shù)據(jù)經(jīng)PLC 處理后展現(xiàn)在LED 單元上；數(shù)碼管模塊有7 段與8 段兩種形式，按照輸入的低電平來組合點(diǎn)亮對應(yīng)的LED；施水控制模塊綜合使用大扭矩舵機(jī)與出水管路來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)利用液位傳感器來監(jiān)測水位，如果水位低于規(guī)定參數(shù)，就發(fā)出相應(yīng)報警；故障預(yù)警模塊用于采集主要部件的關(guān)鍵參數(shù)，如果發(fā)生故障，需要立即發(fā)出預(yù)警。這些模塊相互配合，共同完成農(nóng)業(yè)播種機(jī)的信息化與自動化控制。將PLC 技術(shù)與播種機(jī)的自動化控制裝置緊密結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)出水量可控，使設(shè)備速度與出水量成正比，從而顯著提高作業(yè)效率與質(zhì)量。

3 在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用PLC技術(shù)的注意事項(xiàng)

需要合理選擇PLC 型號與配置，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，注意電氣安全與防護(hù)措施。實(shí)際選擇PLC 型號與配置時，要結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械具體型號進(jìn)行合理的評估與選擇，選擇具有足夠控制能力、輸入輸出接口的PLC 型號，同時，該P(yáng)LC 還應(yīng)該支持?jǐn)U展[10]。在可靠性和穩(wěn)定性方面，綜合考慮電源穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、溫度控制、抗干擾能力等，通過采取必要的防范措施來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。此外，要定期檢查PLC 設(shè)備的線路、接口等，采取過載保護(hù)、接地保護(hù)及電氣隔離等系列防護(hù)措施，保障電氣控制裝置安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

綜上所述，將PLC 技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械電氣控制裝置中，可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平與自動化程度，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，減少故障與停機(jī)時間，使農(nóng)業(yè)機(jī)械更好地適應(yīng)多樣化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更精確、可控、高效，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供靈活的管理與控制方案。